Введение к работе
Актуальность темы. На современном этапе развития микроэлектроники можно выделить два основных направления:
-
- сверхинтеграция, характеризуемая в настоящее время созданием цифровых интегральных микросхем с 109 числом активных элементов (транзисторов) для систем обработки информации.
-
- сверхбыстродействие или увеличение рабочих частот соответствующих микроэлементов, достигающих к настоящему времени сотен гигагерц.
Первое направление обеспечивает соответствующий прогресс вычислительной техники, создавая все более мощные кристаллы микропроцессоров и оперативной памяти, в то время как второе определяет тенденции развития систем передачи информации. Надо признать, что в силу известных технологических преимуществ пальма первенства в сфере сверхинтеграции принадлежит классическому полупроводниковому материалу - кремнию, в то время как в части достижения сверхбыстродействия доминируют материалы с высокой электронной подвижностью типа AIUBV и гетероструктуры на их основе. Как известно, в силу отсутствия химически устойчивого и электрически прочного окисла на поверхности GaAs кристаллов, до недавнего времени основной GaAs приборной структурой являлся так называемый полевой транзистор с затвором Шоттки, использующий в качестве принципа действия полевые изменения глубины обеднения на контакте металл-полупроводник, выполняющем роль управляющего электрода — затвора прибора. Быстродействие типичных ПТШ транзисторов на GaAs с субмикронными длинами канала достигает 10-12 ГГц.
Существенный прогресс в части повышения быстродействия обеспечило изобретение так называемых транзисторов с высокой электронной подвижностью (НЕМТ - High Electron Mobility Transistor), активная область которых состоит из легированного широкозонного и нелегированного узкозонного полупроводниковых
слоев. Пространственное разделение области электронных движений и месторасположения рассеивающих носители заряженных атомов легирующих примесей обеспечивает существенное увеличение электронной подвижности и, как следствие, повышение быстродействия таких гетеротранзисторов (до 100 ГГц). В своем развитии этот принцип пространственного разделения претерпел достаточное число усовершенствований и модификаций, так что в настоящее время НЕМТ-приборы представляют собой сложную многослойную структуру с существенными изменениями химического состава слоев и сложным профилем легирования. Создание многослойных гетероструктур для полевых транзисторов в едином цикле процесса молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) существенно повысило соответствующие требования к оборудованию, прецизионности управления технологическим процессом, наличию прецизионных методов контроля и диагностики параметров, составляющих структуру функциональных гетерослоев. Целью настоящей работы является исследование особенностей молекулярно-эпитаксиального роста многослойных гетероструктур с двумерным электронным газом (ДЭГ) высокой плотности, разработка методов диагностики совершенства отдельных слоев и гетерограниц, а также изучение квантоворазмерных эффектов с участием ДЭГ в указанных гетероструктурах.
В этой связи в диссертации были поставлены и решены следующие задачи:
-
Исследованы и оптимизированы режимы МЛЭ (температуры, скорости роста, соотношения молекулярных потоков) многослойных изоморфных N-AlGaAs/GaAs и псевдоморфных N-AlGaAs/lnGaAs/GaAs гетероструктур с двумерным электронным газом высокой плотности.
-
Отработана методика с использованием двухкристальной рентгеновской дифрактометрии для определения параметров
сверхтонких полупроводниковых слоев и границ раздела (порядка монослоя) в многослойных гетероструктурах InGaAs/GaAs.
-
Разработана фотолюминесцентная методика измерения квантовых ям для прецизионной калибровки толщины и неоднородности состава в низкоразмерных МЛЭ гетероструктурах GaAs/InGaAs/GaAs.
-
Исследованы спектры фотолюминесценции с участием ДЭГ в модуляционно-легированных гетероструктурах N-AlGaAs/GaAs/AIGaAs и N-AlGaAs/InGaAs/GaAs. Предложена физическая модель, объясняющая наблюдаемые зависимости размерного квантования с участием ДЭГ в спектрах фотолюминесценции (ФЛ). Получена информация о степени заполнения электронных подзон, энергиях их оптических переходов и влиянии на них параметров гетероструктур (ширины квантовой ямы и толщины спейсер слоя), а также внешнего электрического поля.
Научная новизна полученных результатов состоит в" следующем:
-
Разработана технология МЛЭ (температуры и скорости роста, соотношения молекулярных потоков) изоморфных N-AlGaAs/GaAs и псевдоморфных N-AlGaAsflnGaAs/GaAs гетероструктур с двумерным электронным газом (ДЭГ) высокой плотности. Исследовано влияние эффектов диффузии и сегрегации In на подвижность двумерного электронного газа в модуляционно-легированных гетероструктурах и найдены способы подавления их негативного влияния.
-
Исследованы предельные возможности двухкристальной рентгеновской дифрактометрии для определения параметров сверхтонких полупроводниковых слоев и границ раздела в многослойных гетероструктурах InGaAs/GaAs с атомным разрешением. Установлено наличие переходных слоев на границах гетеропереходов GaAsAnGaAs с промежуточными концентрациями In.
-
Разработана фотолюминесцентная методика для прецизионного контроля толщины и неоднородности состава в низкоразмерных гетероструктурах GaAs/InGaAs/GaAs. Получено хорошее совпадение данных ФЛ с результами рентгено-дифракционного анализа в независимых сериях экспериментов.
-
Впервые представлены результаты исследований фотолюминесценции ДЭГ в модуляционно-легированных гетероструктурах N-AlGaAs/GaAs/AlGaAs. Исследованы условия проявления излучательной рекомбинации двумерных электронов и дырок, и исследован эффект перехода от ФЛ с участием трехмерных электронов к ФЛ с участим ДЭГ при изменении параметров гетероструктур. Получена информация о степени заполнения электронных подзон, энергии их оптических переходов и влиянии на них толщины спейсер слоя. Предложена физическая модель, объясняющая наблюдаемые зависимости размерного квантования ДЭГ в спектрах фотолюминесценции.
-
Впервые представлены результаты исследования влияния поперечного электрического поля на спектры фотолюминесценции в модуляционно-легированных гетероструктурах N-AlGaAs/GaAs/AlGaAs. Получена информация о перераспределении ДЭГ между квантовыми подзонами НЕМТ структуры при изменении электрического ПОЛЯ.
Практическая ценность работы заключается в том, что использование выявленных в ней закономерностей зпитаксиального роста нанометровых слоев GaAs и тройных соединений на его основе, а также разработанной в диссертации совокупности методик исследования их параметров позволило сформировать реальный технологический процесс создания высококачественных гетероструктур с двумерным электронным газом высокой плотности для малошумящих СВЧ транзисторов высокоскоростных систем передачи и обработки информации.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Определена область параметров процесса МЛЭ, обеспечивающих минимизацию сегрегации и диффузного расплывания In при формировании псевдоморфных гетероструктур и обеспечивающая выращивание высококачественных гетеропереходов AlGaAs/InGaAs/GaAs с двумерным электронным газом высокой плотности.
-
Двухкристальная рентгеновская дифрактометрия многослойных гетероструктур позволяет определять состав и толщину нанометровых слоев с атомным разрешением. Приведенный анализ дифращконкых спектров тестовых структур выявляет существование переходных областей в окрестности гетеропереходов.
-
Анализ фотолюминесцентных спектров модуляционно-легированньгх гетероструктур с двумерным электронным газом позволяет различать оптические переходы с участием трехмерных и квазидвумерных электронов в квантовых ямах низкоразмерных гетероструктур.
-
Измеренные спектры фотолюминесценции модуляционно-легированных гетероструктур с участием ДЭГ демонстрируют дублетную структуру, обусловленную излучательной рекомбинацией электронов из двух нижних подзон двумерного электронного газа с фотовозбужденными дырками валентных подзон, интенсивность которой зависит от заселенности подзон ДЭГ и интегралов перекрытия электронных и дырочных волновых функций.
-
Исследованная зависимость пиков фотолюминесценции МЛГС N-AlGaAs/GaAs/AlGaAs от поперечного электрического поля обусловлена трансформацией формы эффективной потенциальной квантовой ямы от квазипрямоугольной к квазитреугольной, приводящей к изменению заселенности подзон ДЭГ и их энергий.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на Всероссийской научно-технической
конференции "Микро- и наноэлектроника-98", тезисы докладов, стр.Л2-3, г.Звенигород, (1998); 10-th Internationa) Conference on Thin Films, Salamanca, Spain, September 23-27, p.191-193, (1996); International Symposium «Nanostructures Physics and Technology» St.-Petersburg, 24-28 June, p.76-79, (1996), и обсуждались на семинарах ИРЭ РАН, ИК РАН, МГУ им. Ломоносова.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 9 печатных работах в научных журналах и материалах конференций.
Структура и о&ъем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех основных глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем работы 148 страниц машинописного текста, 47 рисунков, 16 таблиц. Список литературы содержит 89 наименований,
